武警小型無人機(jī)平臺(tái)中繼應(yīng)急通信設(shè)計(jì)

皇甫瑩麗

摘 要：通信是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要基石，尤其是對(duì)于武警部隊(duì)來說做好武警部隊(duì)的應(yīng)急通信是十分必要其重要的。為保障武警部隊(duì)的應(yīng)急通信需要注意做好小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的研究與開發(fā)。小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)具有良好的靈活性、便于部署和良好的地面適應(yīng)性。本文在分析常用空中中繼通信平臺(tái)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)如何做好小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的研究開發(fā)機(jī)進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信；應(yīng)急；武警

中圖分類號(hào)：TV243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

武警部隊(duì)是我國(guó)安全保障的重要基石。當(dāng)國(guó)內(nèi)發(fā)生重大的自然災(zāi)害或是公共突發(fā)事件時(shí)武警部隊(duì)往往需要奮戰(zhàn)在第一線并發(fā)揮著中流砥柱的作用。在應(yīng)急搶險(xiǎn)或是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)常規(guī)通信往往會(huì)由于各種原因而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信無法滿足語音、視頻等寬帶網(wǎng)絡(luò)通信的需求。尤其是在一些通信基礎(chǔ)薄弱的郊區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)等想要短時(shí)間內(nèi)搭建起穩(wěn)定可靠的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)需要面臨著巨大的困難。小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信是國(guó)內(nèi)外所較為流行的一種解決應(yīng)急通信的方法，其利用無人機(jī)所構(gòu)建的空中平臺(tái)能夠很好的解決周邊復(fù)雜地形的電波覆蓋問題，做好小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的研究與開發(fā)對(duì)于確保武警部隊(duì)的應(yīng)急通信保障有著極為重要的意義。

1.小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)特點(diǎn)

小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)利用無人機(jī)體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、攜帶方便的特點(diǎn)很適合作為復(fù)雜地形的應(yīng)急通信保障平臺(tái)。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中LoS（視距）通信技術(shù)等在野外復(fù)雜的地形條件下很難滿足長(zhǎng)距離通信的需求，利用小型無人機(jī)作為平臺(tái)搭建應(yīng)急中繼通信是解決武警部隊(duì)?wèi)?yīng)急通信保障的有效手段。除上述優(yōu)點(diǎn)外，以小型無人機(jī)作為平臺(tái)搭建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)也具有一些不足，小型無人機(jī)的飛行高度、續(xù)航性都有著一定的不足，因此其多應(yīng)用于短期應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的搭建。

2.小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的研究

小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)需要滿足小型無人機(jī)對(duì)于輕量化、小型化以及低功耗的需求，在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的設(shè)計(jì)過程中需要注意縮減通信器材的質(zhì)量、體積以及功耗從而提高小型無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性、安全性和續(xù)航力。此外，在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的研發(fā)中還需要確保中繼系統(tǒng)能夠進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)接入，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)視距、高速率的數(shù)據(jù)傳輸用以滿足復(fù)雜條件下的應(yīng)急通信保障需求。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)的搭建中多采用的是WiFi標(biāo)準(zhǔn)所建立的，但是WiFi標(biāo)準(zhǔn)中所采用的MAC 協(xié)議其核心所采用的CSMA/CA機(jī)制其僅能夠在接入用戶較少且通信距離較短范圍內(nèi)發(fā)揮出良好的作用，而超出一定的范圍后其將會(huì)產(chǎn)生隱藏終端、遠(yuǎn)近效應(yīng)等影響通信效果的眾多問題，因此以WiFi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的搭建是不可能的。在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)的解決方案中采用基于時(shí)分多址的MAC協(xié)議則能夠有效的規(guī)避WiFi標(biāo)準(zhǔn)所存在的諸多問題。小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信設(shè)計(jì)方案所采用的TDMA方式其核心是通過將一個(gè)寬帶的無線載波上按照一定的時(shí)間將其劃分為周期性的幀，對(duì)于所劃分出來的每一幀則繼續(xù)分割成眾多的時(shí)隙，這些所劃分出來的時(shí)隙則是通信通道。TDMA系統(tǒng)所采用的時(shí)隙分配原則能夠確保將各時(shí)隙分配到各個(gè)站點(diǎn)中以避免多節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸而造成系統(tǒng)過載。小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信中采用的TDMA系統(tǒng)利用TDD方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的收發(fā)因此能夠有效的減少通信設(shè)備的體積和功率。TDMA系統(tǒng)所具有的高抗干擾性和頻率利用率高等的特點(diǎn)在輔助以調(diào)頻和QoS保障等的技術(shù)使得小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信技術(shù)能夠有效的滿足復(fù)雜條件下的應(yīng)急通信需求。在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)中采用TD-LTE頻段，工作頻段在2.3～2.7GHz的區(qū)間范圍內(nèi)，這一區(qū)間段的微波通信的軟、硬件技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用十分廣泛利用小型飛機(jī)這一空中平臺(tái)能夠滿足周邊數(shù)十千米內(nèi)的通信需求。在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方面，使用SoC硬件搭建方案能夠有效的提高小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的集成性。比如說采用Atheros公司的AR9XXX系列芯片來進(jìn)行小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的開發(fā)能夠滿足TD-LET、IEEE802.11n等的多種通信模式，通過這一設(shè)計(jì)方案能夠有效的降低小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的重量。

3.小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算

在完成了對(duì)于小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后需要對(duì)小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的鏈路進(jìn)行預(yù)算，為了分析方便在分析時(shí)對(duì)于小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的應(yīng)用采用了較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景：小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)采用2.4GHz的微波通信頻段，在小型無人機(jī)平臺(tái)中所搭載的中繼通信系統(tǒng)中采用3dB的簡(jiǎn)易全向通信天線，在地面控制系統(tǒng)中采用的是19dB的定向天線，為保障通信在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)中和地面通信系統(tǒng)中采用相同的發(fā)射機(jī)。小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的接收機(jī)其靈敏度與系統(tǒng)所采用的編碼方式和通信速率有著密切的聯(lián)系。以2.4GHz頻段為通信頻段，小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的靈敏度和MCS之間的有著復(fù)雜的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)關(guān)系MCS可以根據(jù)其復(fù)雜關(guān)系的不同分為0～7個(gè)層級(jí)，各層級(jí)所對(duì)應(yīng)的基帶編碼也從BPSK到64-QAM進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。在計(jì)算時(shí)選用5MHz的調(diào)制帶寬，如需要達(dá)到最小為1.6Mbps的調(diào)制速率則需要將確保小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的接收靈敏度。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以對(duì)小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的有效覆蓋半徑進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)接收機(jī)收到的功率電平計(jì)算時(shí)可以按照下列公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

Pr=Pt+Gt+Gr-Lf （1）

Pr為接收機(jī)功率電平；Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Lf為自由空間損耗。

在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)通信時(shí)采用2.4GHz時(shí)，自由空間上的損耗可以采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Lf=100+20lg d （2）

根據(jù)上述計(jì)算公式可以算得在采用升限為300m的小型無人機(jī)作為空中中繼平臺(tái)時(shí)，小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的覆蓋范圍能夠達(dá)到半徑≥60km，采用上述設(shè)備進(jìn)行小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的架設(shè)時(shí)，其能夠在覆蓋半徑范圍內(nèi)達(dá)到1.6～65Mbps的通信速率，此速率能夠滿足武警部隊(duì)對(duì)于語音和視頻等對(duì)于通信的需求。此外，在小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中為了更好的提高小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)的帶寬和通信覆蓋范圍還可以通過采用提高通信天線增益、采用通信天線伺服等的方式。

結(jié)語

小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)是武警部隊(duì)?wèi)?yīng)急通信保障中的一種重要的方式，本文在分析小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信系統(tǒng)通信解決方案的基礎(chǔ)上對(duì)小型無人機(jī)平臺(tái)中繼通信鏈路的預(yù)算進(jìn)行了分析介紹。

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